Giáo trình Tế bào học

Giáo trình Tế bào học LỜI NĨI ĐẦU Từ học thuyết tế bào đời (1838 - 1839), sinh học chuyển sang giai đoạn Tế bào học trở thành môn khoa học sở cho ngành sinh học khác Những thành tựu tế bào học góp phần đẩy mạnh phát triển ngành sinh học Là môn khoa học sở, Tế bào học trở thành môn học bắt buộc chương trình đào tạo khoa Sinh trường Đại học Sư phạm, Đại học Khoa học tự nhiên số trường khối Nông - Lâm - Ngư - Y Để phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu tế bào học cán bộ, sinh viên, chúng tơi tiến hành biên soạn giáo trình Tế bào học Để hồn thành giáo trình này, chúng tơi nhận góp ý q báu nhiều đồng nghiệp, đặc biệt PGS TS Nguyễn Như Hiền - Đại học Quốc gia Hà Nội Chúng tơi chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp q báu Vì cịn hạn chế nguồn tư liệu trình độ nên giáo trình khơng tránh khỏi sai sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp để lần tái sau giáo trình hồn thiện CÁC TÁC GIẢ Phần I THÀNH PHẦN HOÁ H C CỦA T BÀO Chương CÁC LIÊN K T HÓA H C 1.1 Thành phần nguyên tố tế bào Mọi thể sống từ đơn giản đến phức tạp cấu tạo từ tế bào Tế bào cấu tạo nên từ chất hóa học Thành phần hố học tế bào phức tạp, đa dạng Trong tế bào chứa nhiều nguyên tố khác với hàm lượng khác Trong 100 nguyên tố hóa học có tự nhiên, tế bào có mặt 70 nguyên tố khác Trong nguyên tố có mặt tế bào, 16 nguyên tố (C, H, O, N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Ca, Cl, Na, Mn, Zn, I) ngun tố có vai trị quan trọng việc cấu tạo nên thành phần tế bào, thực chức sống tế bào Sáu nguyên tố C, H, O, N, S, P gọi nguyên tố phát sinh sinh vật vai trò quan trọng chúng Các nguyên tố chiếm 97% khối lượng tế bào Từ nguyên tố này, cấu tạo nên tất hợp chất hữu tế bào nên có vai trị định tồn sống Ngoài 16 nguyên tố chủ yếu trên, tế bào cịn có nhiều ngun tố khác với hàm lượng vai trò khác Trong tế bào nhóm sinh vật khác nhau, hàm lượng nguyên tố không giống Hàm lượng nguyên tố tế bào thay đổi tuỳ thuộc điều kiện môi trường (thực vật, VSV), chế độ dinh dưỡng (động vật) 1.2 Các liên kết hoá học tế bào 1.2.1 Liên kết cộng hoá trị Liên kết cộng hoá trị loại liên kết phổ biến có vai trị quan trọng hợp chất hoá học thể sống Trong liên kết cộng hoá trị, hai nguyên tử bỏ điện tử để dùng chung cho hai nguyên tử Nếu nguyên tử bỏ điện tử dùng chung tạo nên liên kết đơn (-), bỏ điện tử dùng chung tạo liên kết đôi (=) bỏ điện tử dùng chung tạo liên kết ba (≡) Một nguyên tử đồng thời bỏ điện tử dùng chung với số nguyên tử khác Nguyên tử liên kết với nguyên tử khác nguyên tố hay khác nguyên tố Liên kết cộng hoá trị loại liên kết quan trọng, liên kết để nguyên tử gắn lại với tạo nên hầu hết loại hợp chất thể 1.2.2 Liên kết ion Liên kết ion hay gọi liên kết tĩnh điện liên kết tạo lực hút tĩnh điện ion trái dấu hay nguyên tử khác lớn độ âm điện Giữa nguyên tử khác lớn độ âm điện Na Cl Cl nguyên tử có độ âm điện lớn nên có khả hút hẳn điện tử Na sang quĩ đạo nó, làm cho nguyên tử thừa điện tử tích điện Cl- Ngược lại, Na có độ âm điện bé nên dễ nhường hẳn điện tử cho Cl để trở thành Na+ Hai ion Na+ Cl- liên kết với lực hút tĩnh điện tạo phân tử NaCl: Na+ + ClNaCl Liên kết ion tạo nên nhiều hợp chất vô NaCl, KCl Liên kết ion có mặt nhiều hợp chất hữu cấu trúc bậc III protein 1.2.3 Liên kết hyđro Liên kết hyđro tạo nhóm có H (NH, OH, ) với nguyên tử có độ âm điện lớn O, N Do độ âm điện lớn nên nguyên tử O, N tạo lực hút nguyên tử H nhóm NH, OH dịch gần phía nó, làm cho nguyên tử H trở thành cầu nối nhóm nhóm liên kết lại với nhờ "sợi dây nối H2" Các liên kết H2 có chiều dài xác định hướng xác định nên tạo thành hình dạng ổn định phân tử Liên kết H2 liên kết yếu dễ dàng bị phân huỷ lượng nhỏ Liên kết hyđro loại liên kết quan trọng đại phân tử protein, acid nucleic Trong protein, liên kết hyđro tạo nên cấu trúc bậc II phân tử Trong acid nucleic, nucleotide chuỗi ADN hay phần khác chuỗi ARN liên kết với liên kết hydro theo nguyên lý bổ sung để tạo nên phân tử ADN ARN 1.2.4 Liên kết kỵ nước Trong phân tử phân cực thường chứa gốc mang điện tích trái dấu có khả liên kết với phân tử nước, gốc ưa nước Trái lại, phân tử không phân cực, hay phần không phân cực phân tử khơng tích điện nên khơng có khả liên kết với phân tử nước, gốc kỵ nước, gốc -CH3 Khi gốc kỵ nước gần nhau, chúng hình thành lực hút, lực hút kỵ nước tạo nên liên kết kỵ nước Liên kết kỵ nước có mặt cấu trúc protein, lipid 1.2.5 Liên kết hấp dẫn Khi phân tử gần với khoảng cách ngắn d < 5Ao chúng xuất lực hút hấp dẫn (lực van dervan) làm cho chúng hút dính vào Loại liên kết sở hình thành cấu trúc bậc IV từ cấu trúc bậc III protein Chương CÁC CH T HỮU C 3.1 Gluxit 3.1.1 Monosaccharide (đường đơn) Từ polyalcol có từ 3C đến 7C bị khử hyđro tạo phân tử đường đơn tương ứng Tuỳ theo vị trí khử H2 tạo dạng đường: - Nếu khử H2 C1 cho đường dạng aldose - Nếu khử H2 C2 cho đường dạng catose Trong nguyên tử đường đơn có chứa nguyên tử C bất đối nên có dạng đồng phân lập thể Số lượng đồng phân lập thể tính cơng thức A = 2n Trong đó: A số đồng phân, n số lượng nguyên tử C bất đối có phân tử Người ta qui định lấy vị trí nhóm OH ngun tử C bất đối xa nhóm định chức để phân thành nhóm đồng phân: - Nếu C bất đối nhóm OH quay phía phải phân tử thuộc đồng phân D - Nếu C bất đối nhóm OH quay phía trái phân tử thuộc đồng phân L Đa số phân tử đường có 5C trở lên dung dịch có cấu trúc dạng vịng Có loại vịng: vịng cạnh vịng cạnh Khi hình thành cấu trúc dạng vòng làm xuất thêm nguyên tử C bất đối xuất dạng đồng phân Nhóm OH tạo gọi nhóm OH - glucozid Nếu nhóm OH - glucozid quay lên có dạng đồng phân β, nhóm OH - glucozid quay xuống tạo dạng đồng phân α Trong tế bào có nhiều loại monosaccharide khác nhau, có số loại phổ biến: - Triose: aldehyl - glyceric, dioxiaceton - Tetraose: erytrose - Pentose: ribose, ribulose, xilulose - Cetose: cedoheptulose 3.1.2 Disaccharide Disaccharide đường đôi đơn vị monosaccharide liên kết với tạo thành Liên kết monosaccharide liên kết glucozid Có nhiều loại disaccharide tồn tế bào Trong đó, phổ biến maltose, saccharose, lactore - Maltose loại đường đôi phân tử α.D.glucose liên kết với liên kết (1 - 4) glucozid CH2OH CH2OH O O O Maltose thành phần trung gian cấu trúc nên tinh bột sản phẩm phân huỷ tinh bột hay glycogen khơng hồn tồn - Saccharose loại đường đôi phân tử α.D.glucose ngưng tụ với phân tử β.D.fructose tạo nên Hai monosaccharide liên kết với liên kết (1α - 2β) glucozid tạo nên: CH2OH O CH2OH O CH2OH O Saccharose đường đơn phổ biến thực vật, có nhiều mơ dự trữ nhiều nhóm mía, củ cải đường - Lactose loại đường đôi phân tử β.D.galactose ngưng tụ với phân tử α.D.glucose tạo nên Liên kết monosaccharide liên kết (1- 4) glucozid: CH2OH CH2OH O O O O Lactose có nhiều thể động vật sữa 3.1.3 Polysaccaride Polysaccharide gluxit phức với phân tử lớn gồm nhiều đơn vị monosaccharide liên kết với tạo nên Polysaccharide khơng có vị monosaccharide hay disaccharide, khơng tan nước mà tạo dung dịch keo Đây nhóm chất hữu phổ biến có khối lượng lớn trái đất Polysaccharid đa dạng chủng loại Trong thể sinh vật có nhiều loại polysaccharide khác nhau, phổ biến tinh bột, glycogen, cellulose 3.1.3.1 Tinh bột Tinh bột chất dự trữ phổ biến thực vật Có nhiều mơ dự trữ hạt, củ Tinh bột đơn chất mà hỗn hợp chuỗi thẳng phân tử amylose chuỗi phân nhánh amilopectin Tỷ lệ nhóm chất tinh bột định tính chất lý - hoá chúng, định chất lượng chúng (độ dẻo, độ nở ) * Amylose Amylose polysaccharide tạo nên từ phân tử α.D.glucose Các α.D.glucose liên kết với liên kết (1α - 4) glucozid tạo nên chuỗi polysaccharide Mối liên kết glucozit tạo loại phân tử H2O Do có loại liên kết (1α - 4) glucozid cấu tạo nên amylose nên phân tử amylose có cấu trúc mạch thẳng Amylose tạo từ 5000 - 1000 phân tử α.D.glucose (có khoảng 250 300 phân tử) Chuỗi phân tử glucose xoắn lại với theo hình xoắn lị xo Sự hình thành dạng xoắn hình thành liên kết hyđro glucose tạo Mỗi vịng xoắn có đơn vị glucose trì liên kết hyđro với vịng xoắn kề bên Khoảng khơng gian xoắn có kích thước phù hợp cho số phân tử khác liên kết vào, ví dụ iod Khi phân tử iod liên kết vào vòng xoắn làm cho phân tử glucose thay đổi vị trí chút tạo nên phức màu xanh đặc trưng Dạng xoắn amylose tạo thành dung dịch nhiệt độ thường Khi nhiệt độ cao chuỗi xoắn bị duỗi thẳng khơng có khả liên kết với phân tử khác CH2OH CH2OH O O CH2OH O O O O O đoạn amylose * Amylopectin.Amylopectin có cấu tạo phức tạp Tham gia cấu tạo amylopectin có khoảng 500.000 đến triệu phân tử α.D.glucose liên kết với Trong amylopectin có loại liên kết: - Liên kết (1α - 4) glucozid tạo mạch thẳng - Liên kết (1α - 6) glucozid tạo mạch nhánh Cứ khoảng 24 - 30 đơn vị glucose mạch có liên kết (1α - 6) glucozid để tạo mạch nhánh Trên mạch nhánh cấp lại hình thành mạch nhánh cấp 2, phân tử amylopectin phân nhánh nhiều cấp phức tạp Trong tinh bột tỷ lệ amylopectin chiếm khoảng 80%, amylose chiếm 20% Tỷ lệ thay đổi nhóm sinh vật khác Tinh bột nguyên liệu dự trữ thực vật Đây dạng dự trữ thích hợp tinh bột khơng có khả thấm qua màng tế bào nên khơng thể thất khỏi tế bào 3.1.3.2 Glycogen Glycogen polysaccharide dự trữ động vật, tinh bột động vật Cấu trúc glycogen giống tinh bột mức độ phân nhánh nhiều tinh bột, khoảng - 12 đơn vị glucose đă có liên kết (1α - 6) glucozid để tạo nhánh động vật người, glucogen dự trữ chủ yếu gan Sự phân huỷ tổng hợp glycogen hệ thống hoocmon điểu khiển cách chặt chẽ để điều hồ ổn định lượng glucose máu ln số 1% 3.1.3.3 Cellulose Trong hợp chất hữu có thể sinh vật cellulose có tỷ lệ cao Nó thành phần thành tế bào thực vật Cũng amylose, amylopectin, cellulose chất trùng hợp từ nhiều đơn phân Thành phần đơn phân cellulose β.D.glucose Các phân tử β.D.glucose liên kết với liên kết (1β - 4) glucozid thay "sấp" "ngửa" Sự thay đổi thành phần cấu tạo dẫn đến khác biệt tính chất cellulose amylose Phân tử cellulose không cuộn xoắn amylose mà có cấu trúc dạng mạch thẳng Cấu trúc tạo điều kiện hình thành liên kết hyđro phân tử cellulose nằm song song với nhau, tạo nên cấu trúc màng cellulose vi sợi (micro fibrin) cấu trúc màng cellulose tế bào thực vật Các sợi không tan nước, bền học nên tạo nên lớp màng cellulose bền CH2OH CH2OH O O O O O O CH2OH O 3.2 Lipid So với gluxit, lipid hợp chất phức tạp có nhiều chức thể sống Một đặc trưng chung nhóm chất chứa nhiều nhóm CH3 nên chúng hay khơng hồ tan nước mà hoà tan tốt dung môi hữu không phân cực etanol, clorofooc, ete Lipid có nhiều loại khác nhau: Lipid Lipid đơn giản Lipid phức tạp Photpholipid Spingo lipid Gluco lipid Triglyceric Sap Steric 3.2.1 Lipid đơn giản Lipid đơn giản nhóm lipid chứa thành phần alcol acid béo Tuỳ theo thành phần alcol mà tạo loại lipid đơn giản khác nhau: 3.2.1.1 Triglyceric (chất béo) Triglyceric (chất béo) có thực vật dầu, động vật mỡ Thành phần chất béo gồm glycerin acid béo Các acid béo liên kết với glycerin liên kết ester Glycerin liên kết với acid béo tạo monoglyceric, với acid béo tạo diglyceric với acid béo tạo triglyceric Thành phần dầu, mỡ chứa monoglyceric, diglyceric, triglyceric acid béo tự do, glycerin tự O CH2 - O - C - R1 CHOH CH2OH O O CH2 - O - C - R1 O CH2 - O - C - R1 O CH - O - C - R2 CH - O - C - R2 O CH2OH Mono - glyceric CH2 - O - C - R3 Di - glyceric Tri - glyceric Mỡ động vật dầu thực vật chất hoá học giống nhau, chúng khác thành phần acid béo động vật chứa acid béo no có mạch C dài nên nhiệt nóng chảy cao, dầu thực vật chứa acid béo khơng no có mạch C ngắn nên nhiệt nóng chảy thấp Dầu mỡ chất dự trữ thể thực vật động vật Dầu mỡ chất có lượng lớn nên chúng chất cung cấp nguồn lượng đáng kể cho thể hoạt động Lớp mỡ động vật có tác dụng chống rét, điều hồ nhiệt độ Mỡ, dầu cịn mơi trường hồ tan cho số chất có hoạt tính sinh học cao vitamin, hoocmon nên có vai trị quan trọng thể 3.2.1.2 Sáp Thành phần sáp gồm phân tử acid béo no alcol mạch thẳng bậc liên kết với liên kết ester: R1 - O - C - R2 O Có nhiều loại alcol nhiều loại acid béo khác tạo nên nhiều loại sáp khác Sáp thành thành chất bảo vệ bề mặt lá, mặt số côn trùng 3.2.1.3 Sterit Sterit tạo từ phân tử alcol mạch vòng bậc acid béo Alcol sterit sterol Sterol chất quan trọng tế bào động vật người Từ sterol hình thành nên nhiều hoocmon quan trọng thể Ngoài cholesterol loại lipid với phospholipid cấu tạo nên màng tế bào 3.2.2 Lipid phức tạp Lipid phức tạp nhóm lipid mà thành phần alcol acid béo cịn có chất khác Tuỳ thành phần nhóm chất mà tạo nhiều nhóm lipid phức tạp khác quan trọng nhóm phospholipid 3.2.2.1 Phospholipid Phospholipid nhóm lipid phức tạp mà thành phần, ngồi glycerin, acid béo cịn có H3PO4 số nhóm chất khác Trong nhóm OH glycerin, nhóm tạo liên kết ester với H3PO4 để tạo nên acid phosphatic Qua H3PO4 acid phosphatic liên kết thêm với chất khác tạo nên loại phospholipid khác Trong loại phospholipid phosphatidyl - colin (leucitin) có vai trị quan trọng Nó thành phần màng tế bào Trong cấu trúc leucitin, phân tử acid béo hấp dẫn nên chúng xếp hướng Đầu cuối acid béo chứa gốc kỵ nước (CH3) nên hình thành nên đầu kỵ nước leucitin Liên kết C2 C3 glycerin bị quay vặn góc 180o làm cho nhóm P phân cực nằm chiều ngược lại với chuỗi acid béo hình thành đầu ưa nước leucitin Do cấu trúc đặc biệt mà leucitin phân tử vừa kỵ nước vừa ưa nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Bá Lộc (2000) Quang hợp, Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Duy Minh (1987), Quang Hợp, Nxb Giáo dục Hà Nội Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn (1999) Sinh lý học thực vật, Nxb Giáo dục Hà Nội Mở đầu Đối tượng nhiệm vụ môn Tế bào học Tế bào học môn khoa học nghiên cứu tế bào Tế bào đơn vị tổ chức sở vật chất sống hình thái, sinh lí sinh hóa di truyền Tế bào tồn tất mức độ tổ chức sống thể vi sinh vật, thực vật động vật Vì vậy, vi sinh vật, động vật thực vật đối tượng nghiên cứu tế bào học Cấu trúc siêu vi khuẩn (virus) khơng có đặc điểm chung với cấu trúc tế bào, chúng thiếu hệ thống enzyme nên thiếu trao đổi chất riêng mình, siêu vi khuẩn khơng thuộc phạm vi đối tượng nghiên cứu tế bào học Các thể vi sinh vật xem thể có tổ chức mức độ tế bào mà nhân chúng hệ phân tán Chúng đối tượng nghiên cứu tế bào học Các thể đơn bào nguyên sinh động vật thể có cấu trúc gồm tế bào Mặc dầu thể đơn bào có tính đa dạng, chúng giữ cấu trúc chung tế bào Như vậy, thể đơn bào vừa tế bào vừa thể toàn vẹn Trong thể đa bào có nhiều loại tế bào phân hố khác sở phân hóa chức Ví dụ: tế bào bạch cầu giữ nguyên tính chất nguyên thuỷ, trái lại với tế bào phân hoá cao tế bào thần kinh Tuy phân hóa cao, tế bào thể đa bào giữ nét đặc trưng tế bào riêng rẽ Như vậy, tế bào thể đa bào không thành phần thể toàn vẹn mà cịn đơn vị sống tồn vẹn Nghiên cứu tất đặc tính cấu trúc, di truyền q trình sinh lý, sinh hố, nguồn gốc tiến hóa tế bào tất dạng tồn đối tượng môn tế bào học đại cương Nhưng, trước kia, tế bào học nghiên cứu bó hẹp lĩnh vực hình thái học, số q trình sinh lí, cịn q trình sinh hố, lí sinh, di truyền tế bào chưa nghiên cứu Mãi đến năm 30 kỉ XX, xâm nhập môn khoa học khác tốn, lí, hóa vào sinh học ứng dụng phương tiện nghiên cứu sinh học kĩ thuật hiển vi điện tử, hóa tế bào, li tâm siêu tốc, nguyên tử, đánh dấu, phân tích cấu trúc tia Rơnghen tế bào học có cách mạng lớn, sâu vào nghiên cứu tượng lý sinh, trình sinh hoá - nghiên cứu mức độ siêu hiển vi mức độ phân tử, đạt thành tựu to lớn, đặt môn tế bào học vào vị trí mũi nhọn khoa học sinh học đại Nhiệm vụ môn tế bào học nghiên cứu giải vấn đề lớn: vấn đề tiến hóa; vấn đề tự điều khiển; vấn đề tự sinh sản tế bào * Vấn đề tiến hoá tế bào gồm: - Làm sáng tỏ đường xuất phức hệ tổ chức tế bào trình hình thành sống - Nghiên cứu định luật tiến hóa tế bào dạng tồn (là vấn đề chủng loại phát sinh tế bào) - Nghiên cứu vấn đề có liên quan đến q trình cá thể phát sinh tế bào thể đơn bào thể đa bào * Vấn đề tự điều khiển bao gồm: - Nghiên cứu trình bảo đảm cho sống tế bào - Nghiên cứu chế, trình đưa đến trạng thái bất bình thường tế bào - Định tính, thích nghi tế bào với môi trường sống - Nghiên cứu chế điều hịa q trình nội bào theo không gian thời gian - Nghiên cứu phương thức tồn chức phận quan hệ tương hỗ tế bào thể đa bào hệ thống điều khiển chung thể * Vấn đề sinh sản bao gồm: - Nghiên cứu trình sinh sản sinh trưởng tế bào cấu trúc tế bào - Làm sáng tỏ chế tổng hợp protein tế bào, chế, chức di truyền tế bào: tích thơng tin di truyền, chuyển thông tin di truyền cho hệ tế bào - Tế bào xem đơn vị sống cấu trúc, chức phận di truyền tất dạng tồn tổ chức sống, tế bào học xem trung tâm hệ thống khoa học sinh học Chính nơi gặp gỡ kiến thức tốn, lí, hóa Thành tựu tế bào học sở để giải vấn đề như: nguồn gốc sống, vấn đề sinh tổng hợp protein, vấn đề di truyền học vấn đề y học nông nghiệp Đồng thời sở vững cho khoa học triết học vật macxit Sơ lược lịch sử môn Tế bào học Danh từ tế bào bắt nguồn từ chữ Latinh "Cela" có nghĩa xoang rỗng, Robert Hooke dùng lần vào năm 1665 ông miêu tả cấu trúc nút bần kính hiển vi phóng đại 30 lần ông chế tạo Khoảng 10 năm sau (1674), Leewenhook với kính hiển vi phóng đại 270 lần, lần quan sát thấy tế bào tự do, cấu trúc chứa bên tế bào phát nhân tế bào hồng cầu Tuy nhiên, thời người ta chưa có khái niệm rõ ràng cấu trúc chứa bên tế bào Những hiểu biết kéo dài 100 năm Mãi đến kỉ XIX, nhờ hoàn thiện dần kính hiển vi mà có nhiều cơng trình nghiên cứu tế bào đời Từ đó, người ta khám phá hàng loạt cấu trúc quan trọng tế bào Đáng ý cơng trình nghiên cứu tổng kết nhà thực vật học Schleiden (1838) nhà động vật học Schwann (1839) Trên sở cơng trình nghiên cứu dựa vào kết nhiều cơng trình trước đó, hai ơng tổng kết nâng lên thành lý luận Và học thuyết tế bào đời Học thuyết tế bào xác nhận rằng: “Tất sinh vật từ động vật, thực vật thể đơn bào có cấu tạo gồm tế bào sản phẩm tế bào” Học thuyết tế bào tổng kết vĩ đại sinh học Học thuyết tế bào đời có ảnh hưởng lớn đến tất hướng nghiên cứu sinh học Sinh học tế bào học bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ Tuy nhiên, suốt kỉ XIX, tế bào học tập trung nghiên cứu cấu trúc tượng sinh sản tế bào hình thái Đó thời kì nghiên cứu tế bào có tính chất cổ điển Trong năm kỉ XX, tế bào học phát triển mạnh, nhanh chóng đạt nhiều thành tựu lớn Thành cơng nhờ vào hai ngun nhân sau: - Sự tiến kĩ thuật, phương pháp nghiên cứu, trước hết kĩ thuật hiển vi điện tử phân tích cấu trúc tia Rơnghen - Sự phối hợp chặt chẽ với môn khoa học khác di truyền, sinh lý, sinh hoá lí sinh Nhờ mà nhà tế bào học sâu nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi, cấu trúc phân tử tế bào trình sinh lí, sinh hố, lý sinh tế bào học Sau đề cập đến số thành tựu đạt Những thành tựu khoa học ngành sinh lí tế bào: Từ chỗ nghiên cứu tế bào mẫu vật xử lí nhuộm màu kỉ XIX, bước sang kỉ XX, nhà sinh lí học tập trung nghiên cứu tế bào sống Từ chỗ nghiên cứu dạng vận động tế bào cử động amip, tự cử động tiêm mao , người ta sáng tạo áp dụng phương pháp nghiên cứu phương pháp nuôi cấy tế bào Harison (1909) Caren (1912) Nhờ phương pháp mà nhà nghiên cứu tách dịng tế bào nghiên cứu cấu trúc chức tế bào sống cách tốt Năm 1911, Caren áp dụng phương pháp phẫu thuật vào tế bào Nhờ đó, người ta nghiên cứu thành cơng hàng loạt vấn đề như: xác định độ nhớt, ý nghĩa pH, q trình oxy hóa khử, quan hệ nhân tế bào chất Để nghiên cứu q trình sinh lí tính chất lí hóa, nhà tế bào học tập trung nghiên cứu chất màng tế bào làm mơ hình màng; nghiên cứu vận chuyển chế vận chuyển chất qua màng; nghiên cứu cảm ứng co rút tế bào, hoạt động khác tế bào Người ta thành công nghiên cứu điện sinh học tế bào có kết đem áp dụng phục vụ sức khoẻ người Gần đây, người ta ý đến q trình tự điều khiển tự điều hịa tế bào thu kết đáng kể Những nghiên cứu hóa tế bào: Cơng trình nghiên cứu có ý nghĩa hóa tế bào phát tách acid nucleic từ tế bào bạch cầu, từ tinh trùng, từ hồng cầu chim Mise (1869) Cotsen (1891) Và sau cơng trình Watson Crick vai trị quan trọng acid sinh tổng hợp protein, di truyền tế bào làm sáng tỏ Người ta khám phá phân tử đặc hiệu (enzyme) tế bào vai trò xúc tác cho trình biến đổi lượng cần thiết cho hoạt động sống tế bào (Vilan 1903, Vacbua 1908-1913) Đặc biệt, sau Bensli (1934) dùng phương pháp li tâm tách lượng ty thể đủ để thực hành phân tích hố học vật lí học vai trị ty thể enzyme hơ hấp cư trú ty thể xác định rõ ràng, chế q trình oxy hố khử tế bào khám phá cách tường tận Từ đó, nhà tế bào học tách cấu thành khác tế bào để nghiên cứu vai trò chúng Phương pháp nghiên cứu đánh dấu đời cho nhà tế bào học khả nghiên cứu mới: khả nghiên cứu tế bào động trình trao đổi chất tế bào Sự phát triển hoá tế bào cho phép ta sử dụng phương pháp phân tích vi hố siêu vi để nghiên cứu lượng vơ nhỏ chất, tế bào cấu thành tế bào Ngày nay, áp dụng phương pháp sắc ký, phương pháp quang phổ, phương pháp huỳnh quang hấp thụ tia rơnghen cho phép ta nghiên cứu thành phần hóa học màng, chất quan trọng tế bào phân tử acid nucleic, protein phần khác tế bào Những thành tựu khoa học ngành di truyền học tế bào: Khoảng kỉ XIX, tính chất phổ biến tế bào phân bào xem trình trung tâm sở cho sinh sản tế bào Nhà tế bào học di truyền học tiếng Wilson (1925) phát biểu: “Đặc tính di truyền liên tục di truyền bảo đảm phân chia tế bào” Các định luật di truyền Enzimedel phát minh từ năm 1865 Nhưng thời kỳ ấy, thành tựu hiểu biết tế bào nghèo nàn chưa đủ sở vật chất lí luận để giải thích cơng trình vĩ đại bị lãng quên Vào đầu kỉ XX, phát triển tế bào học đạt mức cao, đó, chế phân ly tính trạng di truyền Enzimedel tìm hiểu giải thích Người ta biết tế bào sinh dục nguyên thuỷ (noãn nguyên bào, tinh nguyên bào) lưỡng bội khác với tế bào sinh dục chín đơn bội chu trình biến đổi nhiễm sắc thể phân bào giảm nhiễm liên quan chặt chẽ với tượng di truyền Và sau Morgan cộng tác ông xác định đơn vị di truyền gọi gen xác định locus bên nhiễm sắc thể nghiên cứu thực nghiệm, định luật di truyền tiến hố có sở trở thành lĩnh vực sinh học gọi di truyền học Những năm gần phát triển hướng nghiên cứu mới: di truyền phân tử di truyền sinh hoá Người ta sâu nghiên cứu tượng di truyền không mức độ tế bào mà mức độ phân tử Người ta xác định mã di truyền, nghiên cứu đóng mở gen, thay đổi gen hay ghép gen Đã có nhiều thành cơng lớn lí luận thực tiễn Những thành tựu khoa học cấu trúc siêu vi tế bào sinh học phân tử: Nhåì phối hợp chặt chẽ tế bào học mơn: sinh hố, hóa lí, hóa cao phân tử, đồng thời áp dụng phương pháp nghiên cứu hóa lí vào sinh học mà năm gần xuất nghiên cứu sinh học như: hình thái siêu vi sinh học phân tử Nghiên cứu tổ chức hay gọi siêu cấu trúc tế bào có ý nghĩa quan trọng bậc nhất, tất q trình sinh lí sinh hoá đặc trưng cho vật chất sống thể cấu trúc phân tử tế bào mức độ phân tử Những thành tựu sinh học phân tử có ảnh hưởng lớn đến phát triển sinh học đại Sự xác lập lên mối tương quan chặt chẽ trình tự xếp acid amin mạch polypeptid với hình thù phân tử protein với đặc tính sinh học xác định chúng Làm sáng tỏ chế hoạt động enzyme khác Sáng tạo mơ hình phân tử ADN làm sáng tỏ vai trò chúng tượng di truyền cuối hình thành quan niệm đại hoá học lập thể đại phân tử Như vậy, thành tựu sinh học phân tử cho phép ta sâu vào chất sống Tất đặc tính lý hóa phân tử tham gia vào hoạt động sống, mối tương quan phân tử có liên hệ đến tổ chức tế bào Hay nói cách khác, sinh học phân tử có sở tế bào học Vì mà ngày hình thành nên chuyên ngành: sinh học phân tử tế bào Cần phải ý rằng, vai trò đại phân tử (acid nucleic, protein ) có quan trọng đến sống mức độ phân tử riêng rẽ chưa thể sống mà tổ chức tế bào tổ chức sở nhất, nhỏ thể tính chất sống vật chất sống Các phương pháp nghiên cứu Tế bào học 3.1 Phương pháp hiển vi 3.1.1 Kính hiển vi thường (kính hiển vi quang học) Độ phóng đại kính hiển vi quang học phụ thuộc vào hệ thống ống kính: vật kính thị kính Khoảng cách tiêu quan sát kính hiển vi thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Độ phóng đại mạnh vật kính 120 lần độ phóng đại tối đa thị kính 30 lần Như vậy, độ phóng đại tối đa kính hiển vi quang học 120 x 30 = 3600 lần Vật nhỏ kính hiển vi quang học quan sát được? Ta biết khoảng cách (do) cho phép tối thiểu ánh sáng thường biểu diễn công thức: = 1/3 ( độ dài bước sóng ánh sáng) Độ dài trung bình bước sóng ánh sáng thường 0,6 μ (1 micron: μ = 0,001 mm) Như vậy, = 1/3 x 0,6 = 0,2 μ Nghĩa kính hiển vi thường quan sát thấy chi tiết tiêu có khoảng cách lớn 0,2 μ Vậy, muốn tăng khả phóng đại kính hiển vi thường cần sử dụng tia sáng khác có độ dài bước sóng ngắn 3.1.2 Kính hiển vi tử ngoại Kính hiển vi tử ngoại dùng tia tử ngoại có độ dài bước sóng ngắn để tăng khả cho phép kính hiển vi thường Người ta thường dùng tia với độ dài bước sóng từ 275 - 210 nm (1nm = 0,001μm) Khả cho phép tốt đạt tới 0,1μ Ánh sáng tử ngoại khơng nhìn thấy mắt thường nên muốn thu ảnh người ta phải mắc vào kính phận chụp hình dùng ảnh huỳnh quang để ảnh lên ảnh Dùng kính hiển vi tử ngoại, ngồi khả làm tăng độ phóng đại cịn cho phép ta nghiên cứu thành phần hoá học cấu trúc sinh học mà không cần thiết phải qua trình định hình nhuộm màu Vì vậy, dùng kính hiển vi tử ngoại nghiên cứu đối tượng sinh học trạng thái sống 3.1.3 Kính hiển vi huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang tượng phát sáng chất bị kích thích lượng hấp thụ lượng Nguồn lượng cung cấp cho vật khác Huỳnh quang quang học: phát sáng ánh sáng thường Huỳnh quang Rơnghen: phát sáng tác dụng tia Rơnghen Huỳnh quang phóng xạ: chất phóng xạ Huỳnh quang sinh vật: quan sát thấy thể sinh vật Trong kĩ thuật tế bào mô học, người ta sử dụng ánh sáng thường để làm phát quang đối tượng nghiên cứu, chất hấp thụ tia sáng phát sáng Đối tượng nghiên cứu kính hiển vi huỳnh quang thường có hai loại: - Các đối tượng tự thân phát huỳnh quang không cần nhuộm màu Loại gọi huỳnh quang nguyên sinh Ví dụ: vitamin A, B2 - Huỳnh quang thứ sinh: xuất đối tượng nhuộm màu chất huỳnh quang đặc biệt Ví dụ: acridin, orange, Phương pháp thu huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu hoạt động sinh vật sống, quan sát xâm nhập phân tán số phận chất huỳnh quang diễn thể sống q trình trao đổi chất bình thường bệnh lí chất tiêm vào tế bào mô Dùng huỳnh quang nghiên cứu cấu trúc thành phần hóa học chất ADN, ARN tế bào 3.1.4 Kính hiển vi đối pha Phương pháp cho phép ta thu ảnh rõ nét cấu trúc tế bào sống mà kính hiển vi thường không thấy Phương pháp đối pha dựa vào nguyên tắc cấu thành riêng biệt cấu trúc tiêu suốt khác với môi trường xung quanh số chiết quang Phương pháp hiển vi đối pha cho phép nghiên cứu đối tượng sống hiển vi không qua tiêu nhuộm màu mà phân biệt cấu trúc tế bào sống, nghiên cứu trình sống diễn tế bào sống trình thực bào, thay đổi nhân tế bào chất thời kì phân chia; chuyển động ty thể Ngoài ra, để nghiên cứu tế bào sống, người ta dùng hiển vi giao thoa, hiển vi đen kĩ thuật hiển vi phân cực 3.1.5 Kính hiển vi điện tử Điểm khác kính hiển vi thường kính hiển vi điện tử tia sáng thay chùm tia điện tử có bước sóng ngắn nhiều lần, tăng khả phóng đại lên nhiều lần Sơ đồ biểu diễn kích thước đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu: 1mm Miền mắt thường Miền kính hiển vi quang học 100 μ 10μ (tế bào lớn, hồng cầu) 1μ (vi khuẩn) 1000Å Siêu vi khuẩn Miền kính hiển vi điện tử 100Å 10Å Phân tử protein Về khả lí thuyết, khoảng cách cho phép tối thiểu kính hiển vi điện tử khoảng 100.000 lần bé kính hiển vi thường Điều cho khả rộng lớn để tăng độ phóng đại đến hàng triệu lần Hệ thống kính hiển vi điện tử, nguyên tắc chung, giống hệ thống kính hiển vi thường, khác nguồn sáng tới (chùm tia điện tử) Kĩ thuật hiển vi điện tử mở chân trời nghiên cứu giới siêu vi tế bào Kĩ thuật hiển vi điện tử cho phép ta khám phá nhiều điều lạ cấu trúc siêu vi tế bào Ví dụ: mạng lưới nội bào, thể ribo, lizo phát cấu trúc màng tế bào, màng nhân, cấu trúc nhân 3.2 Phương pháp Rơnghen Phương pháp phân tích cấu trúc tia Rơnghen cho phép phân biệt cấu trúc từ 10 Å trở xuống Phương pháp dựa sở tượng nhiễu xạ tia Rơnghen, xuất tia phóng xạ Rơnghen đụng vào nguyên tử phân tử tạo mạng không gian vật chất Khi chùm song song tia Rơnghen xuyên qua đối tượng nghiên cứu ảnh nhiễu xạ ghi lên phim ảnh đặt sau đối tượng nghiên cứu Nhờ phương pháp người ta phân biệt cấu trúc không gian phức tạp hàng loạt protein nhờ mà Watson Crick xây dựng mơ hình cấu trúc không gian ADN Đây phương pháp đại tốt nhà sinh học phân tử, mở đường vô rộng lớn cho phát triển sinh học phân tử 3.3 Phương pháp tế bào Nhiệm vụ tế bào học khơng xác định sinh hố tế bào mà chủ yếu xác định cấu trúc sinh hóa phức tạp định khu tế bào số lượng chất lượng 3.3.1 Phương pháp tách cấu thành tế bào Người ta thường nghiền tế bào mơi trường nước, sau li tâm để tách phần khác tế bào dựa khác số lắng cấu thành Ngày nay, với máy li tâm siêu tốc chiết phần li tâm siêu tốc phân tích có tốc độ khoảng 60.000 - 70.000 vịng/phút dùng dung mơi khác thích hợp, người ta khơng phân tích đuợc cấu thành tế bào như: nhân, hạch nhân, ti thể, lạp thể, nhiễm sắc thể mà cịn phân tích cấu thành đại phân tử tế bào xác định trọng lượng phân tử chúng Ví dụ: đại phân tử protein, acid nucleic virus, tách mạch xoắn ADN 3.3.2 Phương pháp nhuộm màu hóa tế bào Người ta dựa vào đặc tính cấu thành khác tế bào bị nhuộm màu khác dùng chất màu đặc trưng để làm xuất cấu thành khác tế bào vị trí chúng Để xác định chất nhóm chất khác nhau, người ta sử dụng phương pháp đặc trưng cho chất: - Dùng phương pháp (phản ứng) hóa học giống phản ứng dùng hóa học phân tích thích hợp để nghiên cứu mô - Dùng phản ứng đặc trưng cho số chất - Dùng phương pháp lí hố Ngày nay, người ta dùng phương pháp khác để làm xuất hydratcarbon, lipid, protide, enzyme, acid nucleic tế bào cấu thành tế bào vị trí thật chúng Phương pháp cho kết định tính 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu tế bào sống Có nhiều phương pháp nghiên cứu tế bào sống như: - Phương pháp vi phẫu thuật - Phương pháp nuôi cấy tế bào - mơ italic Ví dụ: ngày nay, nhờ vào hồn thiện phương pháp ni cấy mơ tế bào, người ta nuôi cấy thành công tế bào riêng biệt mà cịn ni cấy ivitro bào quan chí phần tử sống Và đóng góp đáng kể việc nghiên cứu tìm hiểu chế phân hóa tế bào, chế hoạt động gen 3.3.4 Phương pháp quang phổ Ta biết cấu thành khác tế bào hấp thu chọn lọc tia hồng ngoại, tia tử ngoại tia sáng thường Nhờ vậy, người ta dùng quang phổ kế để đo lường hấp thụ ánh sáng cấu thành tế bào Cường độ hấp thụ ánh sáng chất phụ thuộc vào nồng độ chất Như vậy, ta dựa vào dẫn liệu quang học để tính tốn đưa thành phần hóa học tế bào định hướng chất Ngày nay, với phương pháp này, người ta xác định chất tế bào với lượng 10-12 - 10-14 g diện tích μm2 Kết hợp với phương pháp khác kính hiển vi huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu phân bố tế bào chất protide lipid, micropolysaccharide acid nucleic 3.3.5 Phương pháp nghiên cứu tự đánh dấu tự chụp hình Phương pháp dựa nguyên tắc sử dụng chất đồng vị phóng xạ phóng tia α, β tia tự nhũ tương giấy ảnh Người ta đưa đống vị phóng xạ (C14, P32 tritium H3 ) vào tế bào, tiêu tế bào tự nhũ tương giấy ảnh (tự chụp hình), sau đó, đem rửa ảnh cách thơng thường Dựa vào ảnh chụp, người ta xác định xác vị trí, mật độ phần có chất phóng xạ Phương pháp cho phép biết phân bố chất tế bào mà cho phép theo dõi số phận tính chất động học chất tế bào Ví dụ: nhờ H3 timidin cho phép ta theo dõi chế tự tái ADN, nghiên cứu tổng hợp protein thể ribosome 3.3.6 Các phương pháp thông dụng sinh học phân tử Phương pháp tách chiết acid nucleic Phương pháp phân tích định tính định lượng acid nucleic Phương pháp lai phân tử Phương pháp PCR Phương pháp xác định trình tự acid nucleic Phương pháp điện di Phương pháp sắc ký TÀI LIỆU THAM KHẢO I TÀI LI U TI NG VI T Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội Phạm Thành Hổ (2002), Sinh học đại cương - Tế bào học, Di truyền học, Học thuyết tiến hoá, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh II TÀI LI U TI NG ANH Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis Martin Raff, Keith Roberts, James D.watson (1983), Molecular biology of the cell Garland Publishing, Inc, New York & London W.D Phlipps and T J Chilton (1991), A - Level Biology, Oxford mục lục Trang M ĐẦU Đối tượng nhiệm vụ môn Tế bào học Sơ lược lịch sử môn Tế bào học Các phương pháp nghiên cứu Tế bào học Tài liệu tham khảo Phần I: Thành phần hoá học tế bào Chương CÁC LIÊN K T HOÁ H C 1.1 Thành phần nguyên tố tế bào 1.2 Các liên kết hoá học tế bào Chương CÁC CH T VÔ C 2.1 Nước tế bào 2.2 Các chất khống 2.3 Các chất khí Chương CÁC CH T HỮU C 3.1 Gluxit 3.2 Lipid 3.3 Protein 3.4 Acid nucleic Tài liệu tham khảo Phần II: Cấu tạo chức tế bào Chương Đ IC NG V T BÀO 4.1 Hình thái tế bào 4.2 Các dạng tế bào cấu trúc đại cương Tài liệu tham khảo Chương MÀNG SINH CH T (PLASMA MEMBRANE) 5.1 Khái niệm hệ thống màng sinh học 5.2 Cấu tạo màng sinh chất 5.3 Chức màng tế bào Tài liệu tham khảo Chương T BÀO CH T VÀ M NG L ỚI NỘI CH T 6.1 Tế bào chất (Cytoplasma) 5 10 16 17 17 17 17 20 20 20 21 22 22 26 28 33 40 41 41 41 42 48 49 49 49 60 61 62 62 6.2 Mạng lưới nội sinh chất (Endoplasma reticulum) Tài liệu tham khảo Chương TY THỂ (MYTOCHONDRIA) 7.1 Cấu tạo hình thái 7.2 Thành phần hố học 7.3 Chức 7.4 Nguồn gốc phát sinh Tài liệu tham khảo Chương L P THỂ (PLASTIDE) 8.1 Bạch lạc 8.2 Sắc lạc Chương CÁC BÀO QUAN KHÁC 9.1 Phức hệ Golgi (Golgi complex) 9.2 Ribosome 9.3 Lysosome 9.4 Peroxysome 9.5 Glyoxysome 9.6 Không bào (vacuole) 9.7 Vi ống (microtubule) 9.8 Tơ (miofibrin) 9.9 Tơ nâng đỡ (tonofibrin) 9.10 Tiên mao (flagella) tiêm mao (cillia) 9.11 Thành vỏ tế bào 9.12 Trung (centrosome) Tài liệu tham khảo Chương 10 NHÂN T BÀO (NUCLEUS) 10.1 Cấu tạo nhân 10.2 Thành phần hoá học nhân 10.3 Cấu trúc hiển vi siêu hiển vi 10.4 Chức nhân Tài liệu tham khảo Chương 11 DI TRUY N T BÀO 11.1 Nhiễm sắc thể 11.2 Sự phân bào 63 65 66 66 68 69 69 70 71 71 73 77 77 79 81 83 84 84 85 86 87 87 88 91 93 94 94 96 97 100 101 102 102 116 Tài liệu tham khảo Chương 12 C S PHÂN TỬ CỦA DI TRUY N 12.1 ADN mã di truyền 12.2 Quá trình tái ADN 12.3 Phiên mã 12.4 Dịch mã - tổng hợp protein Tài liệu tham khảo Chương 13 TRAO Đ I CH T QUA MÀNG 13.1 Sự vận chuyển thụ động 13.2 Sự vận chuyển tích cực (hoạt tải qua màng) Tài liệu tham khảo Chương 14 HÔ H P T BÀO 14.1 Đại cương hô hấp tế bào 14.2 Các đường biến đổi chất hô hấp 14.3 Trao đổi lượng hô hấp Tài liệu tham khảo Chương 15 QUANG HỢP 15.1 Những khái niệm chung quang hợp 15.2 Cơ chế quang hợp Tài liệu tham khảo 125 126 126 128 131 136 144 146 146 152 159 160 160 160 165 171 172 172 173 182 Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc: NGUY N XN KHỐT Tổng biên tập: HỒNG H U HỊA Người phản biện: GS.TS Nguyễn Như Hiền Biên tập kỹ, mỹ thuật: Lê Tài Thuận Trình bày bìa: Bùi Quang Tiến Chế vi tính: Thâi Thị Luận - Văn Bá Thọ T BÀO H C In 500 bản, khổ 16x24 cm, Công ty in Thống kê Sản xuất Bao bì Huế - 36 Phạm Hồng Thái - Tp.Huế Số đăng ký KHXB 78 - 2006/CXB/65 - 01/ĐHH Cục xuất cấp ngày 28/02/2006 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2006